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變頻系統(tǒng)漏電分析與研究

文檔作者：胡宏秋文檔來源：長沙凱瑞重工機械有限公司		點擊數：	更新時間： 2021年10月09日
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ELECTRIC DRIVE 2013 Vo1．43 No．8 電氣傳動2013年 第43卷第8期
變頻系統(tǒng)漏電分析與研究
胡宏秋
(長沙凱瑞grx-~械有限公司技術q-心，湖南長沙410013)
摘要：為了減小變頻系統(tǒng)漏電電流，提高用電系統(tǒng)安全程度，就漏電流產生的機理進行了相關的理論分
析．并通過大量的實驗測試。得到漏電流產生的關鍵因素是變頻器內部的高次諧波，從而給出了改善漏電流的
一些行之有效的方法，比如：減小變頻器的載波頻率、提高電機的絕緣強度等。這些方法對減小漏電流、保證人
身、設備安全有非常明顯的作用。
關鍵詞：變頻系統(tǒng)；漏電；載波頻率；接地；分布電容；寄生電容
中圖分類號：Ⅱ)23 文獻標識碼：A
Analys~ and Research of Leakage in Frequency Conversion System
HU Hong-qiu
(Technology Center，Changsha Carrie Heavy Machinery Limited Company，Changsha 410013，Hunan，China)
Abstract：In order to reduce the leakage current in~equency system and enhance electric safety，based on a
lot of experimental tests，a theoretical analysis of the leakage problems generating mechanism in~equency system
was made and concluded that the crucial factor of obtaining leakage current is high harmonics in frequency
convertor．Therefore，it presented some practical methods of improving leakage current，namely，reducing carrier
frequency and improving the motor insulation strength，which play a very obvious role in cutting down leakage
current，ensuring the safety of the people and that of the equipment．
Key words：frequency system；leakage；carrierfrequency；grounding；distributed capacitan ce；parasitic capacitance
1 引言 電保護開關、零序電流檢測裝置、智能開關(或控
制接觸器)、變頻器、三相交流電機組成。
在交流拖動系統(tǒng)中．工頻拖動的漏電流都很
小，只有20 mA左右，變頻拖動的漏電流都很大，
一般在200～600 mA之間，甚至更大。在變頻拖動
中．一般在變頻器的前端都安裝了漏電保護裝
置．經常會出現漏電保護跳閘的現象，嚴重影響
系統(tǒng)的工作：同時。如果接地系統(tǒng)達不到要求，還
會產生安全事故 很多情況下認為是變頻器品質
的原因，但更換變頻器后，故障現象依然存在，原
因一下子很難找到，更沒有很好的解決辦法。本 電纜分布電
文對變頻器漏電進行了理論分析和實驗研究．得
到了有效改善變頻系統(tǒng)漏電的方法。
2 變頻系統(tǒng)結構分析
如圖1所示．變頻系統(tǒng)主回路一般由進線饋
作者簡介：胡宏秋(1964一)，男，高級工程師，Email：923759074@qq．eonl
? ? ． 三 電源
圖1 變頻系統(tǒng)結構
Fig．1 System structure of frequency conversion system
進線饋電保護開關是系統(tǒng)漏電保護執(zhí)行裝
13
電氣傳動20l3年 第43卷 第8期 胡宏秋：變頻系統(tǒng)漏電分析與研究
置，當漏電流大于設定值時斷開．達到保護設備
和人員安全的目的
零序互感器是漏電流檢測裝置 檢測三相電
流的矢量和，控制進線饋電開關的動作。系統(tǒng)有
漏電流存在時，三相電流的矢量和就不為0。也有
用剩余電流斷路器作為漏電保護的．其原理完全
一樣，只是把檢測、控制、執(zhí)行做成一體了。
智能開關(或控制接觸器)是根據控制回路
的邏輯控制變頻器的工作電源接通和斷開。
變頻器是電源頻率控制單元．根據外部手動
或自動的頻率指令輸出不同頻率的工作電源．達
到轉速調節(jié)的目的
電機是系統(tǒng)的執(zhí)行單元．為連接的機械提供
所需要的轉速和轉矩。在變頻系統(tǒng)中．電機一般
采用變頻電機，為了適應變頻系統(tǒng)的要求，與普
通電機相比．變頻電機在機械結構和電磁結構做
了較大的改進
變頻器的安規(guī)電容是變頻器內部的器件．對
電源共模、差模干擾起濾波作用，此電容器失效
后，不會導致電擊，不危及人身安全。為了研究說
明方便，特把此電容列出。
電纜分布電容和電機寄生電容是電流與周圍
介質之間產生的電容．產生漏電流。電流與介質特
性直接決定電容的大小，從而影響漏電流的大小。
其中所有電容末端均應與大地有很好的連接。
3 漏電流產生原因分析
如圖1所示．變頻拖動系統(tǒng)漏電流產生的原
因是非常復雜的 主要有以下3個方面。
1)電機繞組與機殼之間的寄生電容。變頻器
輸出的信號并不是一個理想的正弦波．而是一個
經過調制的脈沖串．脈沖串頻率(調制或載波頻
率)比工頻高得多，一般為1～4 kHz(可在變頻器
中設置)．高頻脈沖使電機繞組與機殼之間產生
寄生電容。圖2是變頻器調制輸出波形圖。圖2a
14
U
0
0
一
圖2 變頻器調制輸出波形
Fig．2 Output waveform of frequency modulation
是設計思想．理想的正弦波疊加在三角形調制波
上：圖2b為實際輸出波形，實線是輸出的脈沖
波， 虛線是加在電機上的近似的電壓曲線。
變頻器的高速脈沖產生高次諧波．高次諧波在
電機繞組與機殼之間產生寄生電容．從而形成漏
電流。
2)變頻器安規(guī)電容。此電容主要作用是：一
方面消除電網的噪聲干擾．另一方面改善變頻器
的高次諧波對電網的影響。但在充電過程中
會產生較大的短暫漏電電流．比如在電源接通的
瞬間
3)變頻器與電機之間連接電纜的分布電容。
此電容與電纜的長度、截面積、屏蔽有關。與長度
成正比，與截面積成反比。使用屏蔽電纜可以減
小分布電容。一般情況下．變頻器與電機的距離
較近．此電容較小。
4 實驗研究與分析
根據以上的結構和原因分析．進行了相關的
實驗研究和分析。
4．1 實驗設計
實驗對象：INVT(英威騰)660 V，35 kW變頻
器1臺，660 V，30 kW 三相變頻電機l臺；實驗設
備：Agilent4通道示波器1臺，零序互感器1個，
萬用表等。實驗接線：如圖3所示。三相4線進
線．主回路中串接零序電流互感器，檢測零線電
流：地線分別接智能開關、變頻器、電機的地(外
殼)．中間串接萬用表同樣檢測零線電流。與示波
器比較 監(jiān)視檢測數據的準確性。
接地點1
接地點2
接地點3
圖3 實驗接線圖
Fig．3 Wiring diagram of the experiment
實驗目的：改變接線和調整變頻器相關參
數．通過示波器讀取零序互感器的不平衡電流
(或萬用表)，根據數據分析，得到影響漏電流的
胡宏秋：變頻系統(tǒng)漏電分析與研究 電氣傳動2013年 第43卷第8期
關鍵因素．從而提出解決問題的建議。示波器數
據采集界面如圖4所示。
囂 ： ： S “5= 00 停止 ，一 。
’
Agil~nt
高分辨率
125 kSs／s
． 。
。 ：
- ● ●
DC l加：l
DC loo：l
DC l()00：1
越{ijjiiJ 盛j盥I 幽l I lij 交漉有娃值-FS(3) 空蔭蛙值
- FS(I)
lI 邪 研唧 田i 空流有被值一Fs )
漏電流 形 嘏電流有效值
—
l ll Il l
圖4 示波器數據采集
Fig．4 Data acquisition of oscilloscope
4．2 實驗方法與結果
1)調整變頻器輸出頻率，測試結果如表l所示。
表1 改變輸出頻率測試數據
Tab．1 The test data of changing the output frequency
輸出頻率，Hz 載波頻率／kHz示波器讀數／mA萬用表讀數／mA
2)改變載波頻率，測試結果如表2所示。
表2 改變載波頻率測試數據
Tab．2 The test data of altering the carrier frequency
輸出頻率／Hz 載波頻率／kHz示波器讀數／mA萬用表讀數／mA
3)改變接地，參考圖1接線，分別斷開接地
點1，2，3，測試結果如表3所示。
表3 改變接地點測試數據
Tab．3 The test data of changing the ground
4)更換電機，更換一臺絕緣強度加強的電
機，測試結果如表4所示。
表4 更換電機測試數據
Tab．4 Th e test data of replacement of motor
5)更換電纜，將屏蔽電纜更換為普通電纜，
測試結果如表5所示。
表5 更換電纜測試數據
Tab．5 Th e test data of replacing cable
6)單獨接地，斷開進線零線，將接地1，2，3
通過接地體進行并行接地(接地電阻8 Q左右)，
測試結果如表6所示。
表6 更改接地測試數據
Tab．6 The test data of changing the ground
4．3 實驗分析與結論
根據表1～表6的數據，可得以下結論：
1)變頻器的輸出頻率對漏電流的影響較?。?
2)載波頻率對漏電流的影響較大：
3)漏電流90％左右是電機的寄生電容引起：
4)加強電機的絕緣可改善漏電現象：
5)短距離的電纜分布電容對漏電影響較?。?
6)單獨良好的接地可改善漏電現象。產生
漏電流的關鍵因素是電機繞組與機殼之間的寄
生電容。
5 變頻系統(tǒng)漏電改進建議
根據以上實驗和分析．產生漏電流的原因是
變頻器輸出信號的高次諧波．產生的載體是電
機，所以，為了改善變頻系統(tǒng)的漏電流，同時，確
保人身、裝備的安全，提出如下改進建議：
1)適當調小載波頻率(默認設置一般是2 kHz)：
2)改進電機的電磁設計(磁路不飽和設計、加
強繞組與機殼之間的絕緣、減小銅耗等)。從實驗
數據可以看出．變頻系統(tǒng)90％的漏電流是由電機
繞組與機殼之間的寄生電容產生．改進電機的電磁
設計，對減小系統(tǒng)的漏電流是非常有效的措施：
3)把電機的地、開關的地、變頻器的地與系
統(tǒng)地牢固接在一起：
4)對漏電流要求較高的系統(tǒng)中．采用5段發(fā)
(下轉第37頁)
1 5
朱鵬．等：規(guī)則采樣方式下相移栽波PWM調制雙傅里葉分析 電氣傳動2013年 第43卷第8期
實驗結果，分別與仿真相對照。
出，實驗與仿真結果相吻合。
從圖4中可以看 C4] Xu H S．EnhancedRotorFieldOrientedControl ofFive—ph
6 結論
文中對H橋型逆變器規(guī)則采樣方式下相移
載波PWM調制方法進行了研究。利用雙重傅里
葉變換．分析了規(guī)則采樣方式下輸出共模電壓和
輸出相電壓的頻譜特性?？梢缘玫揭韵陆Y論：
1)當調制波、載波均移竹角時，共模電壓最
小(為零)；
2)當調制波移霄角時．直流母線電壓利用率
最高．輸出電壓諧波最小。
通過對輸出電壓和共模電壓的頻譜特性分
析．可以進一步為逆變器共模電壓抑制和輸出濾
波器設計等問題的解決提供理論依據。
參考文獻
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版社．2007．
[13]王曉明，王玲．電動機的DSP控制——砸公司DSP應用
[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2004．
收稿日期：2012-08-04
修改稿日期：2013-03—24
(上接第15頁)
波的 控制變頻器。不要采用7段發(fā)波的矢量
控制變頻器．因為在5段發(fā)波的控制方式中，每
一相的輸出電壓有1／3左右時間是沒有開關動作
的。也可在變頻器的參數設置中設置發(fā)波方式：
5)加強系統(tǒng)接地，接地電阻控制在1O Q以下。
良好的接地既可保證系統(tǒng)安全．也可改善漏電流
現象：
6)對于變頻系統(tǒng)。建議不安裝漏電保護裝置．
如果確要安裝．可安裝符合IEC60755國際電工
標準的B型漏電保護器。如果是零序電流控制漏
電保護．可把保護電流調整為200 mA．保護延時
調整為0．2 S左右：
7)變頻器與電機之間的電纜采用屏蔽電纜。
6 結論
眾所周知。采用變頻技術是節(jié)能降耗、保證
工藝的有效途經．在實際的應用中取得的效果和
效益是有目共睹的。但由于變頻本身的技術特
點，輸出信號中的高次諧波不可避免．漏電流也
就一定存在。目前，還沒有從根本上解決此問題
的辦法．以上的分析與探討是基于現狀的一些研
究．僅供變頻器應用人員參考
近年來，國內外一些公司正在研制“無電網
污染”變頻器 據報道．這類變頻器具有功率因數
高、效率高、無諧波污染、無需專用電機的特點，
并采用了多項先進技術：三電平拓撲技術：曲折
變壓器移相技術；IGBT智能化驅動技術：永磁內
嵌式直流電抗器等。隨著技術的發(fā)展和進步，變
頻器性能會逐步完善
收稿日期：2012—08—09
修改稿日期：2013—03—03
37

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